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A—HUMAN NECESSITIES

A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE

A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION

A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges

A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for

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A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE

A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION

A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery

Eine intra-operative Kalibrierung kann auf verschiedene Arten erfolgen. An intra-operative calibration can be performed in several ways.Bei einer Kalibrierungsart nach dem Stand der Technik wird nur eine sogenannte Punktkalibrierung durchgeführt, dh es wird nur die Länge des Instruments bzw. Implantats bestimmt, aber nicht dessen Geometrie. In a calibration mode according to the prior art, only a so-called point calibration is performed, that is, only the length of the instrument or implant is intended, but not its geometry.Eine zweite und weiterführende Methode besteht darin, neben der Länge auch den exakten Vektor des Instruments, dh seine Geometrie zu bestimmen. A second and further method is in addition to the length and the exact vector of the instrument to determine that its geometry.Hierbei werden unterschiedliche Verfahren und Hilfsmittel eingesetzt, die sich jedoch derzeit sämtlich auf rotationssymmetrische Instrumente beschränken, welche sich sehr einfach kalibrieren lassen. Here, different methods and tools are used, but is currently limited to rotationally symmetrical all instruments that can be easily calibrated.Zu solchen Techniken wird auf die Such techniques will be on theUS 6,021,343 US 6,021,343, die , theWO 96/11624 WO 96/11624und die and theUS 5,921,922 US 5,921,922hingewiesen. pointed.Aus letzterer Schrift ist eine intra-operative Kalibrierung von Instrumenten bekannt. From the latter document, a intra-operative calibration of instruments is known.Die Instrumente werden zur Kalibrierung während der Operation oder kurz vor der Verwendung in ein festes Kalibrierungstool eingespannt, also in eine Patienten- bzw. ortsfeste Einrichtung, in die das Instrument eingebracht wird, um es zu kalibrieren. The instruments are clamped for calibration during the operation or shortly before use, in a fixed calibration tool, so in a patient or fixed installation, in which the instrument is introduced in order to calibrate it.

Der Nachteil des in der The disadvantage of theUS 5,921,992 US 5,921,992beschriebenen Systems liegt wiederum darin, dass eine Kalibrierung lediglich in Bezug auf die Ausrichtung des Instrumentes und dessen punktförmiger Spitze vorgenommen wird. System described in turn lies in the fact that a calibration is performed only with respect to the orientation of the instrument and the point-shaped tip.Die im Rahmen dieser Offenbarung für die Kalibrierung geeigneten Instrumente sind lediglich solche, bei denen die Position der Instrumentenspitze sowie des anschließenden linear verlaufenden Abschnittes von Wichtigkeit bei der Behandlung sind. The appropriate in the context of this disclosure for the calibration instruments are only those in which the position of the instrument tip and the subsequent linearly extending portion of importance in the treatment.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Kalibrierung bzw. Registrierung medizinischer Instrumente ist seiner Gattung nach eines, bei dem eine räumliche Position des Instruments mittels eines medizinischen Navigationssystems ermittelt wird, um die Relativposition des Instruments gegenüber anatomischen Daten zu ermitteln. The method according to the present invention for calibrating or registering medical instruments of its kind to one in which a spatial position of the instrument using a medical navigation system is determined, to determine the relative position of the instrument with respect to anatomical data.Da bei kompliziert ausgestalteten Instrumenten eine Information über eine Spitzenposition bzw. eine einzige dargestellte Raumrichtung nicht ausreicht, um das Instrument optimal in die Navigation einzubinden, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die räumliche Ausrichtung eines linien-oder ebenenförmigen, funktionellen Abschnitts des Instruments ermittelt. Since information about a peak position or a single spatial direction represented insufficient in complicated designed instruments to incorporate the instrument optimally in the navigation according to the present invention, the spatial orientation of a linear or flat-type, functional portion of the instrument is determined.Mit anderen Worten wird eine mehrdimensionale Kalibrierung des Instruments vorgenommen, es wird beispielsweise die Lage einer Ebene bzw. einer Kante des Instruments bestimmt, wenn diese von einer funktionellen Art ist, also falls es für die Funktion des Instrumentes darauf ankommt, wie diese Ebene oder Kante im Raum angeordnet ist. In other words, a multivariate calibration of the instrument is made, the position of a plane or an edge of the instrument is determined, for example, if this is of a functional nature, so if it is important for the function of the instrument to how this plane or edge is arranged in the space.Man könnte die erfindungsgemäße Kalibrierung auch als eine Kalibrierung von nicht rotationssymmetrischen Instrumenten bezeichnen, und der besondere Vorteil der Erfindung beruht darin, dass eine optimierte Navigation solcher Instrumente ermöglicht wird, was auch das Endresultat, beispielsweise die korrekte Schaffung eines Flächenschnittes mit einem Instrument verbessert. You could call the calibration according to the invention as a calibration of non-rotationally symmetrical instruments, and the particular advantage of the invention lies in the fact that an optimized navigation of such instruments is made possible, which also improves the final result, for example, the correct creation of an area cut with an instrument.Mit der vorliegenden Erfindung wird es somit möglich, auch komplizierter gestaltete Instrumente intra-operativ zu kalibrieren und damit die computergestützte Navigation auch hierfür nutzbar zu machen. With the present invention, it is thus possible to calibrate more complicated on the instruments intra-operatively and to make the computer-based navigation also this available.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein geeigneter Abschnitt des Instruments an einem Kalibrierungsabschnitt eines Kalibrierungshilfsmittels ausgerichtet, dessen räumliche Ausrichtung im Navigationssystem bekannt ist und der getrackt wird. According to the present invention, a suitable portion of the instrument is aligned on a calibration section of a calibration aid whose spatial orientation in the navigation system is known and is tracked.

Es kann insbesondere der funktionelle Abschnitt selbst sein, der an dem Kalibrierungshilfsmittel bzw. an dessen Kalibrierungsabschnitt ausgerichtet wird, wobei dieser Kalibrierungsabschnitt bei einer Ausführungsform eine Linienform aufweisen kann, insbesondere eine Liniennut. It may be particularly the functional section itself, which is aligned with the calibration tool or on its calibration section, whereby this calibration portion may have a line shape, in one embodiment, in particular a line groove.Die Schneidenfläche eines chirurgischen Meißels kann beispielsweise in einer solchen Liniennut ausgerichtet werden. The cutting face of a surgical chisel for example, can be aligned in such a line groove.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Kalibrierungsabschnitt ein solcher, der die Form einer Liniennut aufweist, während gemäß einer anderen Ausführungsform ein Kalibrierungsabschnitt bereitgestellt wird, der eine Ebene ist. In one embodiment of the inventive device, the calibration section is one which has the shape of a line groove, while there is provided in accordance with another embodiment, a calibration section is a plane.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to preferred embodiments.Es zeigen: Show it:

Figur 1 Figure 1

die Kalibrierung eines chirurgischen Meißels mittels einer Kalibrierungsnut; the calibration of a surgical chisel by means of a Kalibrierungsnut;

Figur 2 Figure 2

die Kalibrierung eines chirurgischen Meißels mit Hilfe einer Kalibrierungsebene an einem Kalibrierungshilfsmittel; the calibration of a surgical chisel with the help of a calibration plane at a calibration tool;und and

Es soll nun im Weiteren anhand dieses konkreten Ausführungsbeispiels angedeutet werden, in welcher Weise erfindungsgemäß Kalibrierungen für einen solchen Meißel vorgenommen werden können. It should be indicated hereinafter with reference to this specific embodiment now in what way can be made in the present invention calibration of such a chisel.

Was die Kalibrierung der räumlichen Ausrichtung der Schneidenfläche 2 des Meißels angeht, so kann auch mit dem Kalibrierungsinstrument 20, 21 nach dem anhand von As regards the calibration of the spatial orientation of the cutting surface of the bit 2, it can also use the calibration instrument 20, 21 after based onFigur 1 Figure 1beschrieben Prinzip vorgegangen werden. described principle to proceed.Dies bedeutet, die Schneidenkante 2 des Meißels wird in ein Nut eingelegt, deren Raumrichtung bekannt ist, beispielsweise in die Nut 14 des Instrumententeils 20 oder in die Schnittlinie der Ebenen A und B des Instrumententeils 21, das ebenfalls lagebekannt ist (beispielsweise über nicht dargestellte Reflektorenanordnungen). This means that the cutting edge 2 of the bit is inserted into a groove, the spatial direction is known, for instance in the groove 14 of the tool part 20 or in the intersection of the planes A and B of the tool part 21, which is also capable known (for example, not shown reflectors arrangements ).Dabei wird die Schneidenkante 2 des Meißels genau in die Nut 14 bzw. an die Kante zwischen der Ebene A und der Ebene B gelegt, und Geometriedaten des Kalibrierungselements werden für die Kalibrierung verwendet. The cutting edge 2 of the chisel is placed exactly in the groove 14 and the edge between the plane A and the plane B, and geometry data of the calibration element are used for the calibration.Eine korrekte Positionierung des Meißels relativ zum Kalibrierungsinstrument 20, 21 wird dabei vorausgesetzt. A correct positioning of the chisel relative to the calibration tool 20, 21 is assumed here.

Die Kalibrierung der Raumrichtung der Schneidenkante kann aber auch lediglich an einer Ebene stattfinden, wenn die Ausrichtung dieser Ebene bekannt ist, wie beispielsweise diejenige der Ebene B in However, the calibration of the spatial direction of the cutting edge can also only take place at one level when the orientation of this plane is known, such as that of the level B inFigur 5 Figure 5. ,Dabei wird der Meißel, der an seinem Griffabschnitt eine getrackte Referenzierungseinrichtung (Reflektorenanordnung) aufweist, an irgendeiner Stelle an die Ebene B mit der Schneidenkante 2 aufliegend angelegt und eine Rotationsbewegung wird um die Schneidenkante 2 herum durchgeführt. Here, the bit which a tracked Referenzierungseinrichtung at its grip portion (reflectors arrangement) is has created resting at any point on the plane B with the cutting edge 2 and a rotational movement is performed by the cutting edge 2 around.Durch die Rotationsbewegung kann die Rotationsachse (Schneidenkante) im Navigationssystem als Drehachse bestimmt und in ihrer Raumausrichtung berechnet werden. The rotational movement of the rotational axis (cutting edge) can be determined in the navigation system as a rotation axis, and calculates in its spatial orientation.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Schneidebenen an Ebenen des Kalibrierungsinstrumentes anzulegen, wie sie in One possibility is to apply the cutting planes at levels of calibration instrument as inFigur 5 Figure 5bezeichnet sind. are designated.Der Meißel wird mit seinen Schneidflächen in zwei aufeinanderfolgenden Kalibrierungsschritten an eine der Ebenen, zum Beispiel Ebene A, angelegt. The chisel is applied with its cutting surfaces in two successive calibration steps of one of the planes, such as plane A.Durch die bekannten Geometriedaten des Kalibrierungsinstrumentes bzw. der Ebene A können die Schneidebenen kalibriert werden. By the known geometrical data of the calibration instrument and the plane A, the cutting planes can be calibrated.Wenn die Schneidebenen in sehr spitzem Winkel zueinander stehen (unendlich dünner Meißel) genügt unter Umständen die Kalibrierung einer Schneidebene. When the cutting planes are in a very acute angle to each other (infinitely thin bit) is sufficient under certain circumstances, the calibration of a cutting plane.

Es ist, wenn ein Meißel mit einer Referenzeinrichtung im Navigationssystem verwendet wird, auch möglich, beide Schneidebenen in einem einzigen Schritt zu kalibrieren. It is when a bit is used with a reference device in the navigation system, also possible to calibrate both cutting planes in a single step.Dies gilt dann, wenn die von der Referenz aufgespannte Ebene parallel und mit bekanntem Abstand zum Meißel-Achsenvektor 19 ( This is the case when the plane defined by the reference plane (parallel to and a known distance to the bit-axis vector 19Figur 4 Figure 4) liegt. ) lies.Es genügt dann, die Ebene der Referenzanordnung bis zur Mitte des Meißelgriffs hin zu verschieben und die Schnittgerade mit der Ebene des Kalibrierungsinstruments (zum Beispiel Ebene A) zu berechnen. It is then sufficient to shift the level of the reference array to the center of the chisel handle back and to calculate the line of intersection with the plane of the calibration instrument (for example, level A).Durch eine Spiegelung an der Mittelebene (verschobene Referenzebene) ist dann auch die andere Schneidebene kalibriert. By mirroring at the center plane (shifted reference level) and the other cutting plane is then calibrated.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich aber auch noch weitere Eigenschaften des Meißels kalibrieren, beispielsweise die Breite seiner Schneidenkante 2. Wenn wie oben beschrieben die Schneidebenen eines Meißels durch zweimaliges Anlegen an die Ebene A in ihrem Winkel zueinander bestimmt werden können, so besteht hierbei die Möglichkeit, auch die Breite der Schneidenfläche 2 gleich mitzubestimmen, und zwar dann, wenn - wie in With the inventive apparatus or the inventive method but also other properties of the bit can be calibrated, for example 2, the width of its cutting edge when the cutting planes of a chisel as described above by twice applying to the plane A in their angle to each other can be determined, so is the possibility here to help determine the width of the cutting surface 2 is equal to, namely, if - as inFigur 5 Figure 5dargestellt ist - die Schneidenkante 2 gleichzeitig im Anschlag an die Ebene C angelegt wird. is shown - the cutting edge 2 is applied simultaneously in abutment on the plane C.Ein zweimaliges Anlegen des Meißels von jeder Flachseite her gestattet dann die Berechnung der Meißelbreite bzw. der Lage des Achsenvektors 19 des Griffstücks 23. A two-fold application of the bit of each flat side then allows the calculation of the bit width and the position of the axis vector 19 of the handle 23rd

Im Weiteren erfolgt die Beschreibung einer Kalibrierung eines Meißels (Schneidenkanten-Richtung im Raum und Griffabschnitt-Kalibrierung), die in lediglich einem einzigen Kalibrierungsschritt stattfinden kann. Furthermore, the description of a calibration of a chisel (cutting edge-direction in space and handle portion calibration), which can take place in only a single calibration step.

Claims (11)

A method for calibrating and/or registering medical instruments (1, 4), in which a spatial position of the instrument (1, 4) is determined by means of a medical navigation system, in order to determine the relative position of the instrument (1, 4) with respect to anatomical data, characterised in that the spatial orientation of a linear or planar functional section (2) of the instrument (1, 4) is determined, wherein a suitable section of the instrument (1) is aligned on a calibration section (3', 9) of a calibration aid (3, 12) whose spatial orientation in the navigation system is known.

The method according to claim 1, wherein the spatial orientation of the cutting area (2) of a surgical chisel (1, 4) is determined.

The method according to claim 1, wherein the functional section (2) is aligned on the calibration aid (3, 12) and/or on its calibration section (3', 9).

The method according to claim 3, wherein the calibration section exhibits a linear form, in particular the form of a linear groove.

The method according to claim 3, wherein the calibration section is a plane.

The method according to any one of claims 1 or 2, wherein the spatial orientation of the functional section (2) of the instrument (4) is determined with the aid of information already available on the orientation of another particular characteristic line or plane (6) of the instrument (4).

The method according to any one of claims 1 or 2, wherein the spatial orientation of the multi-dimensionally formed, functional section (2) of the instrument (1) is determined with the aid of registering a number of points on the instrument (1) using an already calibrated registering instrument (11).

A device for calibrating and/or registering medical instruments (1, 4) using a medical navigation system, comprising a calibration aid (3, 12), characterised in that the calibration aid comprises a calibration section (3', 9) whose spatial orientation in the navigation system is known and on which a linear or planar functional section (2) of the instrument (1) can be orientated.

The device according to claim 8, characterised in that the calibration section exhibits the form of a linear groove.

The device according to claim 8, characterised in that the calibration section is a plane.

The device according to claim 8, characterised in that the calibration section comprises a number of boundary planes and the intersecting lines or intersecting points enclosed by them.

EP02011600A2002-05-282002-05-28Calibration of a navigation system for medical instruments and implants
ActiveEP1369090B1
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